[論文レビュー] Probing the Anomalous Hall Transport and Magnetic Reversal of Chiral-Lattice Antiferromagnet Co$_{1/3}$NbS$_2$

Pingfan Gu, Yuxuan Peng+8 more|arXiv (Cornell University)|Jun 16, 2023

Topological Materials and Phenomena被引用数 4

ひとこと要約

本研究は、剥離されたCo₁/₃NbS₂フラクチュレートにおける巨大な異常ホール効果（AHE）および異常ネルンスト効果（ANE）の内部的起源を調査し、Mott関係の分析を通じて、これらの効果が大きな内部的なベルリーカラチュアに起因することを示している。磁化反転はドメイン壁の運動によって支配されており、連続する磁場スイープにおいて臨界磁場Hcに記憶効果が観察された。これはキラル格子反強磁性体のトポロジカルおよび動的性質に関する洞察を提供する。

ABSTRACT

Antiferromagnets exhibiting giant anomalous Hall effect (AHE) and anomalous Nernst effect (ANE) have recently aroused broad interest, not only for their potential applications in future electronic devices, but also because of the rich physics arising from the Berry curvature near the Fermi level. $ m{Co_{1/3}NbS_2}$, by intercalating $ m{Co^{2+}}$ ions between $ m{NbS_2}$ layers, is a quasi-two-dimensional layered antiferromagnet with a chiral lattice. A large AHE has been observed in $ m{Co_{1/3}NbS_2}$, but its origin is under debate. In this letter, we report the large AHE and ANE in exfoliated $ m{Co_{1/3}NbS_2}$ flakes. By analyzing the thermoelectric data via the Mott relation, we determined that the observed large AHE and ANE primarily result from the intrinsic Berry curvature. We also observed the magnetic domains in $ m{Co_{1/3}NbS_2}$ by reflective magnetic circular dichroism measurements. Combined with electrical transport measurements, we confirmed that the magnetic reversal in $ m{Co_{1/3}NbS_2}$ is determined by domain wall motion, and the critical field ($H_c$) exhibits a memory effect of consecutive magnetic sweeps. Our work provides insight into the topological properties of $ m{Co_{1/3}NbS_2}$ and paves the way to studying the spin configuration and magnetic domain dynamics in this fascinating antiferromagnet.

研究の動機と目的

• 剥離されたCo₁/₃NbS₂フラクチュレートにおける巨大な異常ホール効果（AHE）および異常ネルンスト効果（ANE）の起源を特定すること。
• AHEおよびANEが、不純物やスケイティング散乱などの外部的メカニズムではなく、内部的なベルリーカラチュアに起因するかを明確にすること。
• Co₁/₃NbS₂における磁化反転メカニズムを調査し、磁場依存磁化におけるドメイン壁の運動の役割を特定すること。
• 繰り返し磁場スイープにおいて臨界磁場Hcに記憶効果が存在するかを調査すること。
• 反射型磁気円二色性（RMCD）を用いて磁化ドメインの光学的証明を行い、それらを輸送特性と関連付けること。

提案手法

• Co₁/₃NbS₂の剥離単結晶フラクチュレートは機械的剥離法により作製され、厚さの確認のため原子間力顕微鏡で特徴付けられた。
• 四端子交流輸送測定は、物理的性質測定システム（PPMS）を用い、最大14 Tの磁場下で実施され、ρxx、ρxy、Sxx、Sxyが抽出された。
• 熱電力因子の校正には四端子抵抗および温度センサーが用いられ、輸送および熱電係数との関連をMott関係に正確に適用可能にした。
• 反射型磁気円二色性（RMCD）測定は、ヘリウムレーザーとフォトエラスチックモジュレータを用い、1.6 Kまでの低温で反射光の円偏光差を検出するために実施された。
• サンプルステージの走査によりRMCDマッピングを実施し、磁化ドメインの空間的解像を達成した。
• 連続的な磁場スイープを適用し、臨界磁場Hcの変化を測定した。その結果、記憶効果に一致する非単調な減少が観察された。

Figure 1: Basic characterizations of $\rm{Co_{1/3}NbS_{2}}$ . (a), The crystal structure of $\rm{Co_{1/3}NbS_{2}}$ viewed along the axis perpendicular to the $bc$ plane. (b), The measured temperature-dependent out-of-plane susceptibility of single crystal $\rm{Co_{1/3}NbS_{2}}$ bulk with ZFC, 0.1 T

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 Co₁/₃NbS₂における巨大な異常ホール効果の主な起源は、外部的散乱か、内部的なベルリーカラチュアか？
• RQ2 Co₁/₃NbS₂における異常ネルンスト効果は、ベルリーカラチュアおよびフェルミ準位近傍の電子状態にどのように関係しているか？
• RQ3 Co₁/₃NbS₂における磁化反転のメカニズムは何か？ドメイン壁の運動が支配的か？
• RQ4 繰り返し磁場スイープにおいて、磁化反転の臨界磁場Hcに記憶効果が存在するか？これはドメイン壁ダイナミクスに何を示唆するか？
• RQ5 反射型磁気円二色性（RMCD）は磁化ドメインの光学的証明を提供できるか？また、輸送異常と相関するか？

主な発見

• 熱電および輸送データのMott関係分析により、Co₁/₃NbS₂における大きなAHEおよびANEが、外部的メカニズムではなく、主に内部的なベルリーカラチュアに起因することが確認された。
• 大きなRMCD信号が観察され、RMCDマッピングにより明確な磁化ドメインが解像された。これにより、非平面スピン構造および大きなベルリーカラチュアの光学的証明が得られた。
• 磁化反転は、磁場依存ホール抵抗およびヒステリシス挙動により、ドメイン壁の運動が支配的であることが確認された。
• 連続的な磁場スイープにおいて、磁化反転の臨界磁場Hcは単調に減少し、キラルドメイン壁ダイナミクスまたは交換バイアスに起因する記憶効果が示唆された。
• 観察された大きなAHEおよびANEの値は、非平面スピン構造と一致しており、スカラー スピンキラリティおよび仮想磁場を含む理論モデルを支持する。
• 低温での輸送および熱電気的データの異常は、フェルミ準位近傍に大きな磁気フラクチュエーションまたは電子的遷移が存在することを示唆している。

Figure 2: Electrical transport and thermoelectric measurements of $\rm{Co_{1/3}NbS_{2}}$ . (a), Temperature-dependent longitudinal and transverse resistivity. (b), AHE angle $\theta_{H}=|\frac{\sigma_{xy}}{\sigma_{xx}}|$ versus temperature, extracted from (a). The inset shows the optical image of th